4_PEG接枝苯乙烯_马来酸酐交替共聚物的合成及功能化

中国科学 B 辑 化学 2009 年 第 39 卷 第 9 期 950 958 950 中国科学 杂志社 SCIENCE IN CHINA PRESS 4 PEG 接枝苯乙烯 马来酸酐交替共聚物的合成及 功能化 任丽霞 陈永明 中国科学院化学研究所高分子物理与化学国家重点实验室 北京 100190 通讯作者 E mail ymchen 收稿日期 2009 06 17 接受日期 2009 07 14 摘要 采用普通自由基聚合和可逆加成 断裂链转移 RAFT 自由基聚合方法合成 了对位 PEG 取代苯乙烯 PEG g St 和马来酸酐的交替共聚物 P PEG g St alt MA 13C NMR分析表明PEG g St和马来酸酐单元采取交替的序列结构 利用反应性基团 马来酸酐单元的水解以及胺解可以制备功能性的 PEG 聚合物 以月桂胺为模型小分 子研究了该聚合物的胺解 得到 4 PEG 苯乙烯与羧酸基团以及疏水烷烃的交替序列 聚合物 该双亲聚合物在水溶液中形成组装体 关键词 自由基聚合 聚乙二醇 交替共聚物 自组装 1 引言 由于具有良好的加工性能 价格低廉等优点 并 且具有高反应性 苯乙烯和马来酸酐共聚物 SMA 被 广泛应用于涂料 粘合剂和复合材料等领域 但是 SMA 一般是通过不可控的自由基聚合合成的 聚合 物的结构以及分子量的控制性较差 Zhu 等利用活性 可逆加成 断裂链转移自由基聚合 RAFT 的方法实现 了对SMA分子量的控制 并且合成了SMA与苯乙烯 的嵌段聚合物 1 岳玲等则用 PEG 水解 SMA 与苯乙 烯嵌段聚合物中的酸酐 研究了该 SMA 衍生物在溶 液中的组装行为 2 利用苯乙烯和马来酸酐交替共聚 合可以同时实现共聚物的结构和反应性的控制 本 课题组报道了一系列对位树枝状分子取代的苯乙烯 与马来酸酐共聚 得到了具有反应性的树状化聚合 物 并利用酸酐与小分子的反应实现树枝化聚合物 的内部功能化 3 近年来 人们发现 SMA 在生物医药领域具有广 泛的应用 Misro 等研究发现 SMA 聚合物可以杀死大 鼠体内的精子 在节育方面有潜在的应用 4 Maeda 等利用马来酸酐或者马来酸与胺基的反应将苯乙烯 与马来酸 马来酸酐的共聚物复合到新制癌菌素 neocarcinostatin NC 中 合 成 大 分 子 抗 癌 药 物 SMANC 5 8 与小分子抗癌药物相比 SMANC 在体 内的血液循环半衰期增加 10 20 倍 更有意义的是 在大分子药物的渗透性增强及滞留 EPR 效应影响下 药物在肿瘤组织富集 其浓度是肌肉组织的 30 倍 显著增加药物的生物利用度 6 7 SMANC 已经作为大 分子抗癌药物在日本临床中使用 用来治疗肝细胞 癌 8 但是由于 SMA 聚合物的疏水性 产物需要溶 于碘油中通过静脉注射的方式给药 8 由于苯乙烯的疏水性质 限制了 SMA 聚合物在 生物医药中的进一步应用 因此 SMA 衍生物的合成 以及改性引起研究人员的关注 主要的方法有对苯 乙烯的磺化反应 9 酸酐基团的酯化以及胺化等反 应 10 11 改变聚合物的性质以满足不同应用的需要 利用端基修饰 PEG 与酸酐反应可以得到亲水性的聚 中国科学 B 辑 化学 2009 年 第 39 卷 第 9 期 951 合物 2 12 但是这样会消耗了酸酐基团 影响聚合物 的进一步功能化 本文报道合成亲水性的 4 PEG 取 代苯乙烯与马来酸酐的交替共聚物 P PEG g St alt MA 利用马来酸酐基团的反应性对聚合物进行 后修饰合成功能性的 PEG 接枝聚合物 由于 PEG 具 有良好生物相容性 无毒性以及减少蛋白的特异性吸 附 13 14 延长体内循环时间 15 增加药物利用度 16 等 优点 该体系可望在高分子药物合成以及药物输送 等领域有潜在的应用 2 实验部分 2 1 主要原料和试剂 单羟基 PEG PEG OH 分子量分别为 M 750 M 1900 甲苯共沸除水 4 乙烯基苄氯 Acros 直 接使用 NaH 60 和月桂胺 98 北京化工厂 直 接使用 马来酸酐 MA 汕头市陇西化工厂 石油醚 中重结晶 RAFT 聚合的链转移剂 CDB 的合成参考文 献 17 AIBN 在乙醇中重结晶 四氢呋喃 THF 经钠 二苯甲酮体系干燥后蒸出待用 透析袋 Viskase Corp 截留分子量 3500 其他的试剂均为分析纯级 别 若非特殊说明 均为直接使用 2 2 4 PEG 取代苯乙烯大单体 PEG g St 的合成 PEG g St 单体的合成参考如下步骤 在 250 mL 圆底烧瓶中加入 31 37 g PEG OH 750 0 041 mol 再 加入 150 mL 新蒸的 THF 中溶解 将反应瓶置于冰水 浴中搅拌 分三次加入 5 0 g NaH 0 125 mol 反应 半小时待没有气泡冒出时 用恒压滴液漏斗将溶有 10 63 g 4 乙烯基苄氯 0 069 mmol 的50 mL THF溶液 缓慢滴加到烧瓶中 待滴加完毕撤去冰水浴 室温搅 拌 反应过夜 反应结束 加 1 2 滴水停止反应 旋 蒸除去溶剂THF 然后用20 mL饱和氯化钠水溶液溶 解得到的固体 用 5 40 mL CH2Cl2萃取 将有机相 混合 无水硫酸镁干燥以后 室温下旋蒸除去溶剂 得到的固体在真空烘箱中干燥至恒重 得到的单体 分别命名为 PEG g St 750 和 PEG g St 1900 2 3 交替共聚物 P PEG g St alt MA 的合成 聚合物的合成采用普通自由基聚合和 RAFT 自 由基聚合两种方法 对于普通自由基聚合 按如下步 骤操作 在聚合管中加入 3 464 g PEG g St 750 4 mmol 392 mg MA 4 mmol 以及 3 mg 0 02 mmol AIBN 溶于 2 mL 苯甲醚中 将聚合管冷冻 抽真空 充氮气 解冻 如此反复循环三次 冷冻 抽真空 用 酒精喷灯将聚合管封闭 置于60 油浴搅拌 反应至 磁子不能转动 将聚合管打开 暴露于空气中 终止 反应 RAFT 自由基聚合采用如下操作步骤 在聚合管 中 依次加入 3 464 g PEG g St 750 4 mmol 392 mg MA 4 mmol 3 0 mg AIBN 0 02 mmol 以及 27 mg CDB 0 05 mmol 加入 10 mL 苯甲醚溶解 待完全 溶解之后 将聚合管置于液氮中 冷冻 抽真空 充氮 气 解冻 反复循环三次 将聚合管封闭 置于 60 油浴搅拌 反应过夜 将聚合管打开暴露于空气中 终止反应 产物的提纯是将聚合物的溶液沉淀于乙醚中 沉淀三次以除去未反应的单体 将得到的固体置于 真空干燥箱中干燥至恒重 称产品的重量 计算单体 的转化率 2 4 P PEG g St alt PMAA 交替共聚物的合成 P PEG g St alt MAA 的合成通过氢氧化钾催 化水解酸酐实现 按照如下方法 取 106 mg P PEG g St alt MA 样品 2 含有 0 05 mmol MA 基团 溶于 10 mL 二次水中 加入 56 mg 氢氧化钾 1 mmol 室 温搅拌过夜 反应结束后用 1 mol L 盐酸水溶液调节 pH 值为酸性 用水透析除去体系中的无机盐 冷冻 干燥得到固体粉末 100 mg 产率 93 2 5 月桂胺胺解 P PEG g St alt MA 样品 2 的 反应 以月桂胺为模型 研究小分子脂肪胺对聚合物 中马来酸酐基团的反应按照如下方法 在 Schlenk 聚 合瓶中加入 106 mg P PEG g St alt MA 样品 2 聚合 物 含有 0 05 mmol MA 基团 60 mg 月桂胺 0 33 mmol 并加入 2 mL 二次水溶解 鼓氮气半小时以除 去体系中的氧气 氮气保护下搅拌 反应过夜 反应 结束后将溶剂通过旋转蒸发除去 得到的固体用 CHCl3 溶解并沉淀于乙醚中 沉淀三次以除去多余 的月桂胺 将得到的固体置于真空干燥箱中干燥至 任丽霞等 4 PEG 接枝苯乙烯 马来酸酐交替共聚物的合成及功能化 952 恒重 产物命名为 P PEG g St alt DA g MA 2 6 测试和表征 核磁共振氢谱 1H NMR 采用 Bruker 400 MHz 波谱仪在室温下测试 内标为TMS 溶剂为氘代氯仿 CDCl3 核磁共振碳谱 13C NMR 采用 Bruker 400 MHz 波谱仪在室温下测试 溶剂为氘代氯仿 CDCl3 相 应的碳化学位移 77 0 ppm 体积排斥色谱 SEC 使用 Waters 515 HPLC 泵 Waters 2414 示差折光检测器和 Styragel HT 2 HT 4 和 HT 5 凝胶柱进行测试 淋洗剂为 THF 淋洗速率 为 1 0 mL min 柱温 35 聚苯乙烯标样作为标准进 行分子量校正 傅立叶变换红外谱 FT IR NICOLET AVATAR 300光谱仪 将聚合物样品的THF溶液滴在KBr盐片 上 待溶剂挥发以后测试 动态光散射 DLS 使用 ALV DLS SLS 5022F 静 态光散射仪 22 mW Uniphase He Ne 柱形激光光源 波长 632 8 nm ALV5000 软件 样品测试前使用尼龙 膜 millipore 0 45 m 过滤 在 90 下测量 差示扫描量热分析 DSC 在 Perkin Elmer Diamond 型示差量热仪上 以 10 min 速率升温或 降温 在 N2 氛围中进行测试 扫描两次以消除热 历史 3 结果与讨论 PEG接枝 SMA 聚合物的合成采用大单体共聚合 的方法 如图 1 所示 首先合成对位 PEG 取代的苯乙 烯大单体 然后通过大分子单体与马来酸酐的自由 基共聚得到侧链含有PEG的交替聚合物 同时 利用 酸酐基团的反应性再进行聚合物的后修饰 3 1 PEG g St 单体的合成 单体的合成采用 Williamson 成醚反应将长链 PEG 接枝到苯乙烯的对位 得到 PEG 接枝的苯乙烯 单体 图 2 给出 PEG g St 750 单体的 1H NMR 谱图 图中 7 1 7 4 ppm 的化学位移归属为单体中苯环上 的质子 而 5 0 6 0 ppm 之间的两组两重峰对应于单 体中双键的亚甲基 CH2 CH 裂分信号 4 6 ppm 的化 学位移则是与苯环相连亚甲基的质子信号峰 在 3 6 和 3 2 ppm 处的信号分别对应于 PEG 链中亚甲基 CH2CH2O 和端甲基 OCH3 的信号 需要指出的是 当 4 乙烯基苄氯与单羟基 PEG 反应之后 苄基亚甲 基质子的化学位移会有很大的位移 通过比较反应 前后该基团的化学位移可以确定反应的发生 通过 比较 3 2 与 4 6 ppm 处的信号峰面积 可以计算出反 应中单体的转化率接近 100 本文采用这种方法合 图图 1 P PEG g St alt MA 及其被脂肪胺及其被脂肪胺 RNH2 修饰衍生物修饰衍生物 P PEG g St alt R g MA 的合成路线示意图的合成路线示意图 中国科学 B 辑 化学 2009 年 第 39 卷 第 9 期 953 图图 2 PEG g St 750 的的 1H NMR 谱图 谱图 成了两种分子量的单体 PEG g St 750 与 PEG g St 1900 3 2 P PEG g St alt MA 的合成 苯乙烯和马来酸酐自由基共聚合时 由于单体 形成 1 1 的电荷转移络合物 因而可以形成严格交 替的聚合物结构 18 19 当苯乙烯的对位被供电子基 团取代时 单体的电子密度增加更有利于交替结构 的形成 本文所合成的对位 PEG 取代的苯乙烯单体 与马来酸酐共聚合也会得到交替的聚合物 聚合物的合成条件以及表征结果列于表 1中 首 先用普通自由基聚合的方法得到了 PEG g St 1900 与 马来酸酐的交替聚合物 在反应 5 h 以后 单体的转 化率已经大于 80 由于普通自由基聚合对聚合物 分子量控制性较差 因而得到的聚合物的分散性较 宽 PDI 1 7 样品 1 而采用 RAFT 聚合在反应 15 h 以后单体的转化率达到 60 可以得到分散性相对 较窄 PDI 1 3 样品 2 的聚合物 图 3 给出聚合物 以及单体的 SEC 曲线 从图中可以看到活性 RAFT 聚合得到的聚合物的流出曲线对称 分散性较好 同 样采取这两种方法分别合成了 PEG g St 750 与马来 酸酐共聚的聚合物 样品 3 和 4 与前文讨论的结果 一样 由 RAFT 聚合得到的聚合物分散性较窄 3 3 交替结构的证明 图4给出P PEG g St alt MA 样品2的 1H NMR 谱 但在该图上不能分辨出主链酸酐环的质子位移 不能通过比较酸酐单元与苯环的质子信号面积比来 计算共聚物的组成 然而文献报道 用 13C NMR检测 苯乙烯上与主链相连的苯环上四级碳的位移来确定 主链的序列结构 20 因为该四级碳与主链相连 对主 链的微观序列结构比较敏感 主链不同的序列结构 会使这个四级碳的化学位移发生微小但却可以辨认 的移动 在苯乙烯和马来酸酐共聚物的碳谱上 形成 非交替结构 半交替结构和交替结构时 苯乙烯上与 主链相连的四级碳的化学位移分别在 147 5 145 146 141 5 和 140 5 136 5 ppm 20 通过测定该四级碳 的化学位移可以判断聚合物的交替结构 图 5 给出 P PEG g St alt MA 样品 2 的 13C NMR图谱 由于该聚合物侧链PEG的聚合度高达42 占聚合物总比重的 90 以上 在图上只能清晰地辨 认侧链 PEG 的碳以及苯环中三级碳的化学位移 而 苯环中与主链相连的四级碳的信号微弱 无法辨认 P PEG g St alt MA 样品 1 也有相似的结果 对于 PEG 链较短的聚合物 PEG 部分的影响大大降低 可 以较清晰地辨认聚合物中各个碳的化学位移 图 6 所 示为 P PEG g St alt MA 样品 4 的 13C NMR 以及不 表表 1 P PEG g St alt MA 聚合物的聚合条件以及表征结果聚合物的聚合条件以及表征结果 样品 投料比 单体 溶剂 mL 反应时间 h 转化率 c 聚合度 d Mn e PDI e 1 50 50 1a PEG g St 1900 2 5 80 20000 1 7 2 200 200 2 5b PEG g St 1900 10 15 63 25 12800 1 3 3 200 200 1a PEG g St 750 2 5 83 53000 1 6 4 400 400 2 5b PEG g St 750 10 15 70 56 15100 1 3 a PEG g St MA AIBN b PEG g St MA AIBN CDB c 根据如下公式计算 W样品 WMA WPEG g St 100 d 通过转化 率计算 e 从 SEC 结果得到 以单分散聚苯乙烯标样为参比 任丽霞等 4 PEG 接枝苯乙烯 马来酸酐交替共聚物的合成及功能化 954 图图 3 P PEG g St alt MA 样品样品 1 实线实线 2 虚线虚线 及其 对应的单体 及其 对应的单体 PEG g St 1900 点虚线点虚线 的的 SEC 流出曲线流出曲线 图图 4 P PEG g St alt MA 样品样品 2 的的 1H NMR 谱图 谱图 同碳信号的归属 在该聚合物中与主链相连的苯环 的四级碳 C3 的化学位移在 139 ppm 位于前文所提 到的交替共聚的区间 140 5 136 5 ppm 内 因此 可 以定性地判断共聚物 P PEG g St alt MA 样品 4 在 微观序列上的交替结构 对于 P PEG g St alt MA 样品 3 碳谱分析也有相似的结果 根据此结果推测 聚合物 P PEG g St alt MA 样品 1 和样品 2 也应该 具有同样的交替结构 3 4 碱催化水解酸酐的反应 将 P PEG g St alt MA 水解可以得到 PEG 接枝 图图 5 P PEG g St alt MA 样品样品 2 的的 13C NMR 谱图 谱图 图图 6 P PEG g St alt MA 样品样品 4 的的 13C NMR 谱图 谱图 苯乙烯与马来酸交替结构的聚合物 P PEG g St alt MAA 马来酸酐的水解采用碱催化的方法 直 接把 P PEG g St alt MA 加入到氢氧化钾水溶液中 搅拌过夜 得到产物 P PEG g St alt MAA 图 7 给 出聚合物反应前后的红外光谱 从图上可以看到 聚 合物未水解之前在 1780 cm 1的吸收信号归属于聚合 物中酸酐羰基的碳氧 C O 伸缩振动 表明酸酐环 的存在 而当水解之后 1780 cm 1处的吸收峰完全消 失 伴随着在 1700 cm 1出现了新的吸收峰 该信号 中国科学 B 辑 化学 2009 年 第 39 卷 第 9 期 955 图图 7 P PEG g St alt MA 样 品样 品 2 及其 水解 后产物及其 水解 后产物 P PEG g St alt MAA 的的 IR 谱图谱图 对应于羧酸基团中羰基的碳氧 C O 伸缩振动 从 红外分析结果可以推测碱催化 P PEG g St alt MA 中马来酸酐的水解反应基本完全 3 5 月桂胺胺解 P PEG g St alt MA 本文以月桂胺作为模型小分子 研究 PEG 接枝 聚合物的功能化 月桂胺开环马来酸酐的反应可以 在温和的条件下 即在水溶液中室温搅拌过夜来达 到 通过红外光谱来判断反应的进行程度 图 8 为反 图图8 P PEG g St alt MA 样 品样 品2及 其 衍 生 物及 其 衍 生 物 P PEG g St alt DA g MA 的的 IR 谱图谱图 应前后聚合物的红外谱图 在该图中可以看到 未反 应之前 1780 cm 1的吸收峰对应于聚合物中酸酐的羰 基 C O 伸缩振动 而月桂胺与酸酐反应之后 生成 了羧酸和酰胺基团 改变了羰基的微环境 因而对应 的羰基的碳氧 C O 不对称伸缩振动移到低波数 约为 1700 1750 cm 1 发生 50 80 cm 1的位移 而且 羰基的不对称伸缩振动峰为双重峰 分别对应于酸 酐开环以后的羧基和酰胺基团中两种不同的羰基的 信号 反应后产物 P PEG g St alt DA g MA 在 1780 cm 1处没有任何信号峰 据此可以推测月桂胺 开环交替聚合物中酸酐的效率很高 月桂胺反应之后产物的结构通过 1H NMR 来进 一步表征 与图4相比 图 9在 0 8 1 5 ppm处出现了 一系列的吸收信号 分别对应于月桂胺烷基链的端 甲基 CH3 0 9 ppm 亚甲基 CH2 1 2 ppm 以及与胺 基相连的亚甲基 NHCH2 1 6 ppm 的质子信号 对 比这些质子信号与 PEG 端甲基 OCH3 3 2 ppm 质子 的积分面积 计算出月桂胺开环酸酐的效率达到 95 图图 9 P PEG g St alt DA g MA 自样品自样品 2 的的 1H NMR 谱图谱图 通过以上的分析和表征 可以知道小分子胺与 聚合物中酸酐基团的反应是高效的 而且操作简单 易行 因而可以利用含有胺基的功能性分子与马来 酸酐的反应制备功能化的 PEG 接枝聚合物 以适应 不同的应用条件 任丽霞等 4 PEG 接枝苯乙烯 马来酸酐交替共聚物的合成及功能化 956 3 6 P PEG g St alt DA g MA 的性质 由于月桂胺是疏水性的长链烷烃 当把它引入 高亲水性的PEG聚合物中 会影响聚合物的性质 本 文用差示扫描量热法 DSC 研究反应前后聚合物的热 力学性质 结果如图 10所示 在反应之前 由于 PEG 链段的易结晶性 在图上看到升温过程中的熔融吸 热峰 在约 50 Tm 在降温过程中也会出现 PEG 的结晶放热峰 对应于 25 Tf 的吸收峰 而当月桂 胺修饰到聚合物的侧链以后 聚合物 P PEG g St alt DA g MA 的热力学行为有所变化 与前者相比 PEG 的 Tm降低 5 左右 约 45 而 Tf降低到 18 有 7 的降低 可见 月桂胺的引入改变了聚合物的 性质 使得聚合物的熔融和结晶温度有所降低 这可 能是由于月桂胺小分子有序地插入到聚合物的侧链 形成 PEG 接枝苯乙烯 羧酸基团以及月桂酰胺的交 替结构 达到分子水平上的规则排列而影响了 PEG 侧链的结晶行为 图图 10 P PEG g St alt MA 样品样品 2 A 以及以及 P PEG g St alt DA g MA B 的的 DSC 曲线曲线 疏水性月桂胺的引入 不仅影响聚合物的热力 学性质 同时也影响了聚合物在溶液中的组装行为 图 11 给出该聚合物水溶液的动态光散射表征结果 聚合物形成了两种尺寸的聚集体 CONTIN 分析得到 组装体的流体力学半径 Rh 分别为 10 和 105 nm 由 于月桂胺的烷基链是疏水性的 当引入到亲水的 PEG 接枝聚合物中时 两亲性的聚合物在水溶液中 聚集形成组装体胶束 我们还观察到当把该聚合物 的水溶液与氯仿混合的时候 会出现严重的乳化现 象 乳化液放置 24 h 以上都不会出现分层的现象 表 明该聚合物可能会是性能优良的乳化剂 图图 11 P PEG g St alt DA g MA 在水溶液中组装体在在水溶液中组装体在 90 度的流体力学半径度的流体力学半径 Rh 分布曲线分布曲线 4 结论 本文合成了一种 SMA 衍生物 含有反应性基 团的 PEG 接枝苯乙烯 PEG g St 与马来酸酐 MA 的 交替共聚物 核磁碳谱证明聚合物中两个组成单元 PEG g St与MA采取交替的序列结构 并研究了碱催 化条件下酸酐的水解以及小分子月桂胺对酸酐环的 反应 由于 PEG 链均匀地接枝在间隔的苯乙烯单元 上 本文得到的聚合物也是一种反应性低密度聚合 物刷 利用聚合物中酸酐的反应性可以制备功能性 的 PEG 接枝聚合物 可望在生物医药等方面有潜在 的应用 参考文献 1 Zhu M Q Wei L H Li M Jiang L Du F S Li Z C Li F M A unique synthesis of a well defined block copolymer having alternating segments constituted by maleic anhydride and styrene and the self assembly aggregating behavior thereof Chem Commun 2001 4 中国科学 B 辑 化学 2009 年 第 39 卷 第 9 期 957 365 366 2 岳玲 陶斯禄 张晓宏 吴世康 聚 苯乙烯 alt 马来酸酐 b 聚苯乙烯亲水 亲油嵌段共聚物在溶液中的聚集行为研究 功能 高分子学报 2005 18 248 254 3 Zhang Y H Huang J Chen Y M Reactive dendronized copolymer of styryl dendron and maleic anhydride A single molecular scaf fold Macromolecules 2005 38 5069 5077 4 Misro M Guha S Singh H Mahajan S Ray A R Vasudevan P Injectable non occlusive chemical contraception in the male I Con traception 1979 20 5 467 473 5 Maeda H SMANCS and 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